一、研究的背景與問題
習(xí)近平總書記指出“將打造現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)發(fā)展體系、發(fā)展新質(zhì)生產(chǎn)力作為產(chǎn)業(yè)政策的重中之重”?！案咂焚|(zhì)超高強(qiáng)鋼” 是以顛覆性技術(shù)和前沿技術(shù)催生新產(chǎn)業(yè)、新模式、新動能，發(fā)展新質(zhì)生產(chǎn)力的重要基礎(chǔ)，是新能源、航空航天、軍工、核電、高端裝備制造、醫(yī)療等戰(zhàn)略性關(guān)鍵核心材料需求，為產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)鏈安全及現(xiàn)代化發(fā)展提供了關(guān)鍵支撐。然而，高品質(zhì)超高強(qiáng)鋼尤其是超高強(qiáng)馬氏體鋼生產(chǎn)及成型過程的內(nèi)應(yīng)力演變規(guī)律及控制技術(shù)研究基本處于空白，嚴(yán)重制約我國重大戰(zhàn)略需求，也成為冶金行業(yè)+制造業(yè)亟待突破的難題。
二、解決問題的思路與技術(shù)方案
三、主要創(chuàng)新性成果
1、超高強(qiáng)馬氏體鋼淬火內(nèi)應(yīng)力演變規(guī)律及控制技術(shù)
建立超高強(qiáng)馬氏體鋼淬火過程多場多尺度耦合模型，揭示溫度-相變-應(yīng)力/應(yīng)變多場耦合復(fù)雜條件下內(nèi)應(yīng)力演變規(guī)律，提出1000~2000MPa超高強(qiáng)馬氏體鋼低內(nèi)應(yīng)力控制路徑，內(nèi)應(yīng)力幅值降低94%以上。
（1）基于移動冷源的超高強(qiáng)馬氏體鋼淬火過程溫度-相變-內(nèi)應(yīng)力多場耦合模型
溫度場傳熱計算、相變動力學(xué)和彈塑性力學(xué)，及采用ABAQUS有限元建立動態(tài)冷卻過程溫度-相變-應(yīng)力多場耦合模型，實現(xiàn)超高強(qiáng)馬氏體鋼淬火過程溫度場、相變組織場和應(yīng)力場復(fù)雜耦合關(guān)系的精確量化。動態(tài)冷卻模型體現(xiàn)不同冷卻階段熱變形和相變膨脹變形交替，揭示邊界條件和外部載荷的漸進(jìn)式變化、溫度和相變耦合內(nèi)應(yīng)力演變規(guī)律。
（2）超高強(qiáng)馬氏體鋼淬火過程的內(nèi)應(yīng)力演變規(guī)律研究
(a)(b)整體冷卻/初期，(c)橫彎變形；
(a)(b)熱膨脹系數(shù)定值/變值，(c)(d)較小/較大定值
基于多場耦合模型研究不同工藝參數(shù)條件下超高強(qiáng)馬氏體鋼淬火內(nèi)應(yīng)力的演變規(guī)律與變形機(jī)理；研究不同水比作用下鋼板溫度場的變化規(guī)律，并對比鋼板上下表面的相變膨脹；同時研究縫隙式噴嘴與高密噴嘴在不同水比下對鋼板淬火內(nèi)應(yīng)力的影響；揭示淬火后鋼板發(fā)生橫彎變形主要由不均勻的相變膨脹導(dǎo)致，縫隙式噴嘴的水比控制對于淬火內(nèi)應(yīng)力最為關(guān)鍵。
（3）1000~2000MPa馬氏體鋼淬火過程相變研究
(a)12mm； (b)20mm ；
不同厚度淬火超高強(qiáng)鋼溫降曲線；
(a)操作側(cè)；(b)中心；(c)驅(qū)動側(cè)
沿寬度馬氏體含量隨時間變化曲線
（4）超高強(qiáng)馬氏體鋼淬火過程的內(nèi)應(yīng)力控制技術(shù)
效果：千兆級超高強(qiáng)鋼淬火內(nèi)應(yīng)力進(jìn)行調(diào)控后平直度0.1~2.9mm/m、0.1~3mm/2m，與GB/T 709規(guī)定的H類單軋鋼板的不平度10~14mm/2m、6~7mm/m的要求相比，宏觀板形平直度提升37%~155%；TS-1500MPa橫彎量-0.3~0.3mm，TS-1800MPa橫彎量-0.75~0.75mm，與瑞典SSAB公司-2mm~2mm、國內(nèi)同行業(yè)-4~4mm相比，達(dá)到國際領(lǐng)先水平。
2、超高強(qiáng)馬氏體鋼淬火平直度區(qū)域化宏觀表征和內(nèi)應(yīng)力微觀表征方法。
從宏觀和微觀角度量化了千兆級超高強(qiáng)鋼淬火后內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)，快速、全面獲取生產(chǎn)過程中平直度的演變路徑，用于淬火過程工藝參數(shù)的實時調(diào)控。
（1）超高強(qiáng)馬氏體鋼淬火平直度區(qū)域化宏觀表征方法
表征超高強(qiáng)鋼淬火冷卻后整體和局部的平直度情況，對板形缺陷進(jìn)行分析判定，包括整體縱向特征判定、整體橫向特征判定、邊角特征計算判定，用于發(fā)掘過程參數(shù)和板形缺陷的對應(yīng)規(guī)律以及優(yōu)化冷卻工藝參數(shù)
（2）基于XRD的超高強(qiáng)馬氏體鋼淬火內(nèi)應(yīng)力微觀表征方法
基于彈性力學(xué)原理計算任一角度上的內(nèi)應(yīng)力與正應(yīng)力、切應(yīng)力的函數(shù)關(guān)系，通過正應(yīng)力-角度曲線、切應(yīng)力-角度曲線、應(yīng)力莫爾圓對該點處的平面應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行完整表述；對不同尋峰方式的應(yīng)力檢測結(jié)果進(jìn)行對比，對測量結(jié)果的可靠性進(jìn)行判斷，發(fā)現(xiàn)過濾異常點的極大值法可較好地體現(xiàn)每個角度內(nèi)應(yīng)力特征，并反映出內(nèi)應(yīng)力隨檢測角度的變化規(guī)律，更加完整地表征了測量點處的平面內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)。
限定區(qū)域內(nèi)宏觀平直度表征方法能夠快速、準(zhǔn)確、有效、全面表征生產(chǎn)過程平直度分布規(guī)律，以此為基礎(chǔ)調(diào)控淬火工藝參數(shù)；微觀內(nèi)應(yīng)力表征方法能夠準(zhǔn)確表征加工成型、焊接、分切、服役過程內(nèi)應(yīng)力分布規(guī)律，以此為基礎(chǔ)判定工程機(jī)械產(chǎn)品的安全性、高精度、以及可承受外界應(yīng)力類型，提升千兆級的適用性與實用性。
3、超高強(qiáng)馬氏體鋼分切成型過程的內(nèi)應(yīng)力重分布規(guī)律研究
建立超高強(qiáng)馬氏體鋼分切成型過程的內(nèi)應(yīng)力重分布模型，揭示了內(nèi)應(yīng)力重分布規(guī)律，有利于根據(jù)側(cè)彎形式和大小反向優(yōu)化淬火工藝參數(shù)。復(fù)雜分切成型內(nèi)應(yīng)力≤45MPa，側(cè)彎量≤0.601mm。
（1）基于生死單元法的超高強(qiáng)馬氏體鋼分切成型模型
超高強(qiáng)鋼常用的加工成型方式為分切，大幅面、高質(zhì)量分切成型是保證千兆級高端產(chǎn)品順利應(yīng)用的關(guān)鍵。內(nèi)應(yīng)力分布不均是下游分切成型工序發(fā)生縱切側(cè)彎缺陷的最主要影響因素。
（2）分切成型過程的內(nèi)應(yīng)力重分布規(guī)律研究
邊中復(fù)合浪鋼板四等分縱切過程的內(nèi)應(yīng)力重分布：四個分條的側(cè)彎量均為0.601mm，內(nèi)應(yīng)力幅值從175MPa減小到4~36MPa。
開發(fā)出1000~2000MPa超高強(qiáng)馬氏體鋼成型過程中內(nèi)應(yīng)力分布規(guī)律研究及控制技術(shù)，滿足高端工程機(jī)械設(shè)備千兆級鋼板高品質(zhì)、高精度、大幅面、高效化分切成型。
4、超高強(qiáng)馬氏體鋼淬火基板的平直度控制技術(shù)
研發(fā)了復(fù)雜浪形和斷面缺陷的智能識別技術(shù)，設(shè)計了相應(yīng)的多功能分段變參數(shù)工作輥輥形及其竄輥策略，解決了淬火基板橫向不同區(qū)域的差異化板形控制需求，實現(xiàn)了超高強(qiáng)馬氏體鋼淬火基板的多目標(biāo)協(xié)同控制。1000~2000MPa超高強(qiáng)馬氏體鋼橫/縱向平直度≤3mm/2m。
（1）實現(xiàn)淬火基板軋制板形良好的組合控制策略
淬火基板：浪形缺陷在線判定，根據(jù)閾值判斷浪形發(fā)生區(qū)域，對特征整體評估后確定浪形缺陷類型，利用彎竄輥和輥形技術(shù)消除浪形。
軋制斷面控制：研發(fā)線性降低板帶邊降的工作輥輥形，還研發(fā)了消除局部高點的多機(jī)架工作輥異步竄輥方法。
（2）實現(xiàn)淬火基板層流冷卻后板形良好的組合控制策略
研究初始溫差、初始應(yīng)力、冷卻路徑、冷卻強(qiáng)度等對層流冷卻后板帶內(nèi)應(yīng)力的影響，開發(fā)微中浪軋制功能，不僅設(shè)置合理的平直度目標(biāo)，而且在卷取建張后繼續(xù)增加末機(jī)架彎輥力，在全長范圍內(nèi)對冷卻后容易發(fā)生的雙邊浪缺陷進(jìn)行補(bǔ)償。
通過在工作輥特定區(qū)域設(shè)計特殊輥形并保證各區(qū)域的主要輥形特征相對獨立，實現(xiàn)對1000~2000MPa超高強(qiáng)馬氏體鋼基板平直度多目標(biāo)協(xié)同控制，減少千兆級超高強(qiáng)鋼淬火基板外形尺寸及內(nèi)應(yīng)力對成品鋼板的影響。
四、應(yīng)用情況與效果
成功開發(fā)超高強(qiáng)馬氏體鋼低內(nèi)應(yīng)力集成控制技術(shù)，填補(bǔ)國內(nèi)外技術(shù)及高端產(chǎn)品空白。1000~2000MPa超高強(qiáng)馬氏體鋼橫/縱向平直度0.5~3mm/2m，橫彎量-0.75~0.75mm，1000~1500MPa內(nèi)應(yīng)力≤50MPa，1500~2000MPa內(nèi)應(yīng)力≤90MPa；分切成型內(nèi)應(yīng)力幅值由175MPa減小到0~36MPa，側(cè)彎量0~0.601mm，各項指標(biāo)達(dá)到國際領(lǐng)先水平。核心控制技術(shù)及采用該技術(shù)生產(chǎn)的高品質(zhì)超高強(qiáng)鋼產(chǎn)品，服務(wù)于“白鶴灘水電、平路運河、滬蓉高鐵”等項目建設(shè)，在“5G巡檢機(jī)器人、冬奧會、軍工設(shè)備、醫(yī)療器械”等新質(zhì)生產(chǎn)力領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了從0到占比超35%的突破。近三年市場開拓量超過30萬噸，新增利潤2.71億元。
信息來源：河鋼集團(tuán)邯鋼公司
